一种基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构及制备方法与流程

本发明涉及干黏附功能结构技术领域，具体涉及一种基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构及制备方法。

背景技术：

干黏附技术相比湿黏附、负压吸附、磁吸附、静电吸附等技术，具有对目标表面形貌适应性强、接触无损伤无污染、不受真空环境影响等特点，由于干黏附技术是通过范德华力产生黏附作用，因此可多次重复使用，在爬壁机器人、微电子芯片抓取、皮肤接触诊断等方面具有广阔的应用前景。目前国内外在仿生干黏附材料方面做了大量研究，蘑菇状阵列结构被认为是黏附性能最优的黏附结构(delcampoaranzazu,greinerchristian,arzteduard.contactshapecontrolsadhesionofbioinspiredfibrillarsurfaces.langmuirtheacsjournalofsurfaces&colloids,2007,23(20):10235-10243.)。但现有干黏附结构都是直接连接在厚度不同的实心衬底上，对非平整表面的黏附不够稳定。

技术实现要素：

为了克服上述干黏附应用中，对非平整表面适应性较低的技术问题，结合多孔泡沫金属的结构特性，本发明提供一种基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构及制备方法，实现黏附结构对非平整目标表面的稳定黏附。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，具有蘑菇状阵列结构的试样的制备：制备蘑菇状阵列的反型结构模具，在所述反型结构模具上涂覆聚二甲基硅氧烷，固化脱模后得到所述具有蘑菇状阵列结构的试样；

步骤2，泡沫金属浸入衬底：在所述试样的底面浇铸聚二甲基硅氧烷，以形成衬底；其中，取泡沫金属，将所述泡沫金属浸入所述衬底内部；

步骤3，去除泡沫金属：待所述衬底固化后，通过腐蚀剂去除所述泡沫金属；

步骤4，衬底表面处理：在所述衬底表面浇铸一层聚二甲基硅氧烷，固化后，获得所述基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构。

上述的基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构的制备方法，其中，所述反型结构模具采用光刻工艺制备。

上述的基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构的制备方法，其中，步骤1中涂覆聚二甲基硅氧烷的方法为旋涂。

上述的基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构的制备方法，其中，步骤1中涂覆的聚二甲基硅氧烷的厚度为微米级别。

上述的基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构的制备方法，其中，所述泡沫金属为泡沫铜。

上述的基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构的制备方法，其中，所述泡沫金属由金属丝构成，所述泡沫金属的孔隙率为60％～70％，孔径为50μm～100μm，所述金属丝的直径为50μm～80μm。

上述的基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构的制备方法，其中，步骤3中，所述腐蚀剂为硝酸溶液。

本发明还提供了一种上述的基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构的制备方法制备得到的基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：本发明的基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构，利用泡沫金属的结构特性，在干黏附结构的衬底内部制备微小空腔，增强衬底的柔韧性，在与非平整目标表面接触过程中，通过空腔形变使干黏附结构与目标表面随形贴合，实现较大接触面积下的稳定黏附。

附图说明

图1a为本发明具有蘑菇状阵列结构的试样的结构示意图；

图1b为本发明泡沫金属浸入衬底的结构示意图；

图1c为本发明去除泡沫金属后的结构示意图；

图2为本发明基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构的示意图；

图3为本发明泡沫金属的结构示意图；

图4为本发明黏附在光滑平整表面上的示意图；

图5为本发明黏附在非平整表面上的示意图。

图中：1-蘑菇状阵列、2-衬底、3-微小空腔、4-泡沫金属、5-平整表面、6-非平整表面。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明提供了一种基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，具有蘑菇状阵列1结构的试样的制备：如图1a所示，制备蘑菇状阵列1的反型结构模具，在反型结构模具上涂覆聚二甲基硅氧烷(pdms)，模具底面的pdms形成衬底2，固化脱模后得到具有蘑菇状阵列1结构的试样；

步骤2，泡沫金属4浸入衬底2：如图1b所示，在试样的底面浇铸聚二甲基硅氧烷，以形成增厚的衬底2；取泡沫金属4，将泡沫金属4浸入衬底2内部；衬底2的高度低于泡沫金属4；此时，pdms填充进泡沫金属的孔径里；

步骤3，去除泡沫金属4：如图1c所示，待衬底2固化后，通过腐蚀剂去除泡沫金属4；

步骤4，衬底2表面处理：如图2所示，在衬底2表面浇铸一层聚二甲基硅氧烷，将表面裸露部分封装覆盖，作平整化处理，固化后，获得基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构。

本发明采用光刻工艺制备蘑菇状阵列1的反型结构模具，通过旋涂的方法涂覆一层厚度为微米级别的聚二甲基硅氧烷。

多孔泡沫金属是一种金属基体中含有一定孔径和孔隙率的金属材料，由金属骨架和内部气孔组成。正是由于这种特殊的结构，使其具有金属和气泡的双重特性，如密度小、比表面积大、孔隙率高、可透过流体等特性。

如图3所示，本发明的泡沫金属4为泡沫铜，泡沫铜由铜丝构成，其孔隙率为60％～70％，孔径为50μm～100μm，金属丝的直径为50μm～80μm。泡沫铜的制备成本较低，而且可以通过腐蚀剂去除。

一些实施例中，腐蚀剂可以为6mol/l的硝酸溶液。当泡沫铜被腐蚀去除后，衬底2的内部将形成微小空腔3。

本发明还提供了一种基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构的制备方法制备得到的基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构。

本发明的微小空腔3以泡沫金属4为骨架，所占体积分数为30％～40％，空腔的直径为50μm～80μm。

本发明基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构的工作原理为：

如图4所示，当本发明接触平整表面5时，蘑菇状阵列1与光滑目标表面贴合，衬底2内的微小空腔3在压力作用下发生压缩形变，接触过程中起到缓冲作用，实现干黏附结构在柔性接触下的高黏附。

如图5所示，当本发明接触非平整表面6时，衬底2内的微小空腔3在压力作用下发生不同程度的形变，从而使蘑菇状阵列1与非平整目标表面随形贴合，实现干黏附结构在较大接触面积下的稳定黏附。

实施例1

一种基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，具有蘑菇状阵列结构的制备：采用光刻工艺在光刻胶上加工获得蘑菇状阵列的反型结构模具，进而通过旋涂工艺在模具上涂覆厚度为微米级别的聚二甲基硅氧烷，固化后用乙醇溶液将光刻胶洗去，得到具有蘑菇状阵列结构；

步骤2，泡沫金属浸入衬底：在初步成型的干黏附阵列结构底部浇铸聚二甲基硅氧烷，将泡沫金属铜放入其中；聚二甲基硅氧烷的浇铸液面略低于泡沫铜；

步骤3，去除泡沫金属：待聚二甲基硅氧烷固化后，将含有泡沫铜的聚二甲基硅氧烷浸泡在6mol/l的硝酸溶液中，铜丝与硝酸溶液发生反应，反应过程有no2气体放出，因此需要在通风橱内进行，待铜丝反应完全，原先铜丝占据的空间形成空腔，获得衬底具有微小空腔的干黏附结构，此时衬底表面有空隙裸露；

步骤4，柔性衬底表面处理：在衬底表面浇铸一层聚二甲基硅氧烷，将表面裸露部分封装覆盖，作平整化处理，固化后，获得具有基于泡沫金属的空腔柔性衬底干黏附结构。

综上所述，本发明通过衬底内的微小空腔，提高了衬底的柔韧性，增强了接触过程中的缓冲作用。本发明根据目标表面形态产生形变进而随行贴合，实现较大接触面积下的稳定黏附。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

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